Ngày 29 tháng 4 năm 1965, Phó tế Phêrô Trần Đình Tứ được truyền chức linh mục do giám mục chính tòa Giáo phận Mỹ Tho Giuse Trần Văn Thiện cử hành. Sau khi trở thành linh mục, linh mục Tứ được bổ nhiệm đảm nhận vai trò linh mục phó giáo xứ Lễ Trang, hạt Phú Giáo, giáo phận Phú Cường trong thời gian ngắn trước khi được điều chuyển giữ chức linh mục phó giáo xứ chính tòa Phú Cường.[4]

Năm 1968, linh mục Trần Đình Tứ được cử đi du học tại Rôma và đạt được hai văn bằng Tiến sĩ Giáo luật và Cử nhân Phụng vụ. Sau 5 năm du học, ông trở về Việt Nam được bổ nhiệm giữ chức phó Giám đốc Tiểu Chủng viện thánh Giuse Phú Cường. Đến năm 1975, ông trở thành Giám đốc Đại Chủng viện Thánh Giuse Phú Cường và giữ chức này đến năm 1988.[4]

Ttừ năm 1987, linh mục Trần Đình Tứ đảm nhận vai trò linh mục chánh xứ nhà thờ chính tòa Phú Cường kiêm Quản hạt giáo hạt Phú Cường và Chánh án Tòa án hôn phối giáo phận Phú Cường. Song song cùng chức vụ này, ông đảm nhận vai trò Giáo sư hai môn Phụng vụ và Luân lý tại Đại Chủng viện Sài Gòn từ năm 1985.[4]

Từ năm 1985 đến năm 1991, linh mục Trần Đình Tứ đảm nhận vai trò linh mục Tổng Thư ký Ủy ban Phụng tự trực thuộc Hội đồng Giám mục Việt Nam.[4]